单片机蔬菜大棚开题报告.doc

中原工学院信息商务学院
毕业论文（设计）开题报告
论文（设计）题目
基于单片机蔬菜大棚温湿度监测系统设计
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1.选题目的和意义：
随着农业产业规模不断扩大和大棚技术的不断普及，蔬菜大棚数量不断增多，温湿度控制是蔬菜大棚一个重要的控制环节。植物的生长都是在一定的环境中进行的，其在生长过程中受到环境中各种因素的影响，其中对植物生长影响最大的是环境的温度和湿度。环境昼夜的温度和湿度变化较大，其对植物生长极为不利。因此必须对环境的温度湿度进行实时监测和控制，使其适合植物的生长，提高其产量和质量。温度太低，蔬菜就会被冻死，湿度太低，蔬菜就会停止生长，所以要将温度和湿度控制在适合蔬菜生长的范围内。传统的温度控制是在温室大棚内部悬挂一个温度计，由人工读取温度值来调节大棚内的温度。如果仅依靠人工来控制，既耗人力，又容易出差错。现在随着农业产业规模的不断扩大，传统的温湿度监测控制措施表现出极大的局限性。因此在现代化的蔬菜大棚管理中，通常有温度湿度自动监测控制系统，来实时监测控制温室大棚温度湿度，适应生产需要。
2. 本选题在国内外的研究状况及发展趋势：
温室是一种可以改变植物生长环境、为植物生长创造最佳条件、避免外界四季变化和恶劣气候对其影响的场所。它以采光覆盖材料作为全部或部分结构材料，可在冬季或其他不适宜露地植物生长的季节栽培植物。温室生产以达到调节产期，促进生长发育，防治病虫害及提高质量、产量等为目的。而温室设施的关 键技术是环境控制，该技术的最终目标是提高控制与作业精度。
国外对温室环境控制技术研究较早，始于20世纪70年代。先是采用模拟式的组合仪表，采集现场信息并进行指示、记录和控制。80年代末出现了分布式控制系统。目前正开发和研制计算机数据采集控制系统的多因子综合控制系统。现在世界各国的温室控制技术发展很快，一些国家在实现自动化的基础上正向着完全自动化、无人化的方向发展。
美国是最早发明计算机的国家，也是将计算机应用于温室控制和管理最早、最多的国家之一。美国有发达的设施栽培技术，综合环境控制技术水平非常高。环境控制计算机主要用来对温室环境(气象环境和栽培环境)进行监测和控制。以花卉温室为例，温室内监控项目包括室内气温、水温、土壤温度、锅炉温度、管道温度、相对空气湿度、保温幕状况、通窗状况、泵的工作状况、CO2浓度、Ec调节池和回流管数值、pH调节池和回流管数值；室外监控项目包括大气温度、太阳辐射强度、风向风速、相对湿度等。温室专家系统的应用给种植者带来了一定的经济效益，提高了决策水平，减轻了技术管理工作量，同时也为种植带来了很大方便[2]。
以园艺业著称的荷兰从20世纪80年代以来就开始全面开发温室计算机自动控制系统，并不断地开发模拟控制软件。目前，荷兰自动化智能玻璃温室制造水平处于世界先进水平，拥有玻璃温室1.2万多平方米，占世界1/4以上，有85％的温室用户使用计算机控制温室环境。荷兰开发的温室计算机控制系统是通过人机交互界面进行参数设置和必要的信息显示，可绘制出设定参数曲线、修正值曲线以及测量的数据曲线，可以从数据库内调出设定的时间段内参数以便于必要的数据查询，并能直接对计算机串行口进行操作，完成上位机与下位机之间的通信。上位机软件集参数设置、信息显示、控制等功能于一体，同时还能够很好地完成 温室灌溉和气候的控制和管理。
此外，国外温室业正致力于向高科技方向发展。遥测技术、网络技术、控制局域网已逐渐应用于温室的管理与控制中。控制要求能在远离温室的计算机控制室就能完成，即远程控制。另外该网络还连接有几个通讯平台，用户可以在遥远的地方通过形象、直观的图形化界面与这种分布式的控制系统对话，就像在现场操作一样，给人以身临其境之感。
国内外温室控制技术的发展状况来看，温室环境控制技术大致经历了三个发展阶段。
（1）手动控制：这是在温室控制技术发展初期所采取的控制手段，其实并没有真正意义上的控制系统及执行机构。生产一线的种植者既是温室环境的传感器，又是对温室作物进行管理的执行机构。他们是温室环境控制的核心。通过对温室内外的气候的状况和对作物生长状况进行观测，凭借长期积累的经验和直觉推测及判断，手动调节温室内环境。种植者采用手动控制方式，对于作物生长状况的反应是最直接，最迅速且最有效的，它符合传统农业的生产规律。但这种控制方式的劳动生产率较低，不适合工业化农业的生产需要，而且对种植者的素质要求较高。
（2）自动控制：这种控制系统需要种植者输入温室作物生长所需环境的目标参数，计算机根据传感器实际的测量值与事先设定的目标进行比较，以决定温室环境因子的控制过程，控制相应机构进行加热、降温和通风等动作。计算机自动控制的温室控制技术实现了生产的自动化，适合规模化生产，劳动生产率得到了提高。通过改变温室环境设定目标值，可以自动的进行温室内环境气候调节，但是这种控制方式对作物生产状况的改变难以及时做出反应，难以介入作物生长的内在规律。目前我国绝大部分自主开发的大型现代化温室及引进的国外设备都属于这种控制方式。
（3）智能化控制：这是温度自动控制技术和生产实践的基础上，通过总结，收集农业领域知识、技术和各种实验数据构建专家系统，以建立作物生长的数学模型为理论依据，研究开发出的一种适合不同作物生长的温室专家控制系统技术。温室控制技术沿着手动、自动、智能化控制的生产进程，向着越来越先进的，功能越来越完备的方向发展。由此可见，温室环境控制朝着基于作物生长模型，温室综合环境因子分析模型和农业专家系统的温室信息自动采集及智能控制趋势发展。
通过研究国内外的温室控制技术可以更深刻的理解毕业设计的具体设计思路和方法，可以在更短的时间内高效率完成毕业设计。
3. 主要研究内容：
设计系统主要由单片机、温湿度传感器、显示模块、GSM通信模块以及键盘组成，其原理框图如图 1所示。用户可以先设定温湿度的上限和下限，温湿度传感器监测值传给单片机，当单片机监测到的数值超过所设定值时，单片机就会通过GSM模块向上位机发送当前温湿度值，并响应报警电路启动相对应的温湿度控制设备。系统自动启动执行调节大棚湿度和温度状态，直到温湿度状态处于用户所设定的值。其中下位机系统可以自动接收上位机发送过来的温湿度设定值信息，通过单片机解析所接收到的数据短信来修改当前设定值。下位机检测系统每小时向上位机发送一次当前检测到的温湿度数据值，上位机收到下位机发送过来的数据信息时进行分析存储，并且描绘相应温湿度趋势线。

图 1

4.完成论文的条件、方法及措施，包括实验设计、调研计划、资料收集、参考文献等内容。
（1）本设计要研究或解决的问题：
植物的生长都是在一定的温湿度环境中的，农业温室大棚为现代农业提供新的生产环境，取得了良好的经济和社会效益。它可以提高农民收入，提高产业化水平，提高抵御自然灾害能力，延长作物生长时间，提高作物产量。对于农作物来说，温度和湿度是两个非常重要的条件。所以能够监控温度和湿度对农业大棚的生产有着十分重要的意义。
温度、湿度是农业生产的主要环境参数，对其进行适时准确的测量具有重要意义。温室温湿度测控系统是对温室环境因素（温度、湿度）进行相应地修正或调整，使植物生长处于最佳或相对最佳的生长环境条件中。而当今大多数对温室温度与湿度的控制采用人工管理，这不但大大增加了成本，浪费人力资源，而且很难达到希望的成效。在温室中，温度和湿度很大程度影响着植物的生长发育。适合的温湿度促进植物的生长发育，而不合适的温湿度不但对植物生长是不利的，还会增加病虫害。温室是一个比较密闭的环境，其温湿度条件与露天有很大不同。长期密闭或灌溉不当可能造成温湿度的不当，从而对作物生长不利还会增加病虫害。随着传感器的发展,可以利用传感器将温度和相对湿度非电信号转化为相应的电信号,从而便于测控,这种方法省力、耗能小、准确,能在空气中温湿度不合理时采取相应的补救措施。解决了人工检测的不准确性和经验性。
（2）本设计的条件、方法及措施分为以下几点：
a.查阅与本设计相关的各种参考手册和文献资料；
b.与指导老师探讨相关问题；
c.综合自己大学所学知识，结合实际情况，完成具体构思和设想；
d.借助计算机完成相关的文字、绘图、软件等设计，通过制作实物和现场调试来确定系统的可行性。
（3）设计方案对比及确定
在研究设计的过程中充分考虑到性价比和精度，在选用低价格、通用元件的的基础上，尽量满足设计要求，并使系统具有高的精度。本控制系统以单片机的控制为核心，实时监测环境的温度和湿度，并设定了这两个参数的上下限定值，并具有相应的报警系统，当超过设定的限定值时，单片机控制报警系统进行报警，而且同时驱动继电器打开相应的开关使相应的执行机构运行。
a. 主控模块的选择
方案一：采用FPGA。FPGA（现场可编程门阵列）是专用集成电路（ASIC）中集成度最高的一种，它是当今研究的热门领域。但其性价比低，引脚太多外围电路太复杂，不适合手工焊接。
方案二：采用PLC作为主控制器。使用PLC的最大优点在于PLC使用梯形图进行编程，编程语言形象直观，难度较低，因此开发周期短，便于扩展。而且PLC抗干扰能力强，工作稳定可靠，这一点已被长期的工业控制实践所证明。虽编程简单方便，但其灵活性相比C语言较差，价格方面比较昂贵。
方案三：采用STC12C5A60S2单片机作为主控制器。单片机可以用C语言进行编程，由于它支持ISP在线编程，因此可以通过RS232串口将程序烧录到单片机中，十分方便。温湿度传感器DHT11通过单总线与单片机连接。编程灵活方便，价格低廉。
综合以上三种方案，选择方案三，采用STC12C5A60S2单片机作为主控模块。
b.通信模块的选择
方案一：采用红外收发模块。红外收发模块安装简单，价格便宜。但信息编码相对较为复杂，信息传输距离较短，飞鸟、动物、温度、光线、空气流动、雾气、雨雪等环境因素以及安装方式、角度、位置等因素都容易引发误报。
方案二：采用蓝牙收发模块。蓝牙模块传输速率高，功耗低、通讯安全性好，支持语音传输，价格低廉且组网简单方便。但其容易受温度湿度等环境因素影响，传输距离较短穿越障碍物能力差。
方案三：采用GSM模块。西门子TC35是工业级的GSM模块，技术成熟功能强大，编程方便稳定，在有蜂窝网的情况下不受距离限制，可与上位机、用户等多个终端通信。
综合以上三个方案，选择方案三，采用西门子TC35GSM模块作为通信模块。
c.显示模块的选择
方案一：采用数码管显示。价格虽便宜，但由于本设计需要显示温湿度信息，采用数码管无法显示。
方案二：采用8位LED点阵显示。LED点阵显示虽然能显示字符和数字，但显示效果不好，且不易编程。
方案三：采用LCD显示。Nokia5110LCD不但能显示字符和数字，而且还能显示中文汉字，显示效果较好，外围电路及接口简单，容易编程实现。
综合以上三种方案，选择方案三，采用Nokia5110LCD作为显示模块。
d.键盘模块的选择
方案一：采用矩阵按键。按键数较多适合较复杂的输入系统，且外围电路焊接复杂。而本设计无需太多按键。
方案二：采用独立按键。外围电路较简单，容易编程，价格低廉。
综合以上两种方案，选择方案二，采用独立按键模块。
e.传感器模块的选择
方案一：采用分立温湿度传感器。分别采用温度传感器和湿度传感器，致使外围电路复杂，且采集数据和分析数据较为复杂，给程序带来不必要的麻烦。
方案二：采用温湿度一体传感器。DHT11温湿度传感器集成了温度和湿度两个传感器，采用单总线设计，外围接口电路简单，采集信号为数字量误差较小，无需外加A/D转换电路且程序编写时容易分析。
综合以上两种方案，选择方案二，采用DHT11温湿度传感器。
（4）参考文献
[1] 于海业.温室环境自动检测系统.农业工程学报,1997.
[2] 牛皖闽,何立新.温室控制系统试验装置与系统分析.齐齐哈尔轻工学院.
学报,1995.
[3] Wray, Michelle Lynn. A fuzzy logic controller for temperature control of
a six2zone tube furnace[D]. UNIVERSITY OF LOUISVILLE 2001.
[4] 郑锋,王巧芝,孙西瑞.温室大棚自动控制系统的设计.农机科技与信息,2008.
[5] 路康,马斌强,刘美琪,袁超.温室大棚动态参数测试系统的设计.河南农业大学学
报,2008.
[6] Tetsuo Morimoto，Yasushi Hashimoto．An intelligent control for greenhouse
automation,oriented by the concepts of SPA and SFA[J]．Computers and
Electronics in Agriculture,2000.29：3—20．
[7] 丁镇生.传感器及传感器技术应用.北京：电子工业出版社，1998.
[8] 何希才,薛永毅.传感器及其应用实例.北京：机械工业出版社.2004.
[9] Diaz,Gerardo Gristian.Simulation and control of heart exchangers Using
artifical neural networks. [D] UNIVERSITY OF NOTRE DAME 2000.
[10] 曹柏荣,瞿丹晨.温室大棚中CO2浓度测量仪.仪表技术与传感器,2005.
[11] 彭其圣,刘松龄.单片机温室大棚种植参数监控系统.中南民族大学学报:自然科
学版，2004.
[12] 周航慈.单片机应用程序技术.北京：北京航空航天大学出版社,2002.
[13] National Semlcondactor. ADC0809UserGuider[M].[s. L]:National
Semiconductor.2002.
5.指导教师意见及建议：

签字：

年 月 日